La detección de enfermedades podría simplificarse notablemente gracias a un innovador avance tecnológico. Ingenieros del MIT han desarrollado un test que permite identificar compuestos relacionados con diversas patologías a través del aliento de los pacientes. Este nuevo método promete ofrecer una forma más rápida de diagnosticar la neumonía y otras afecciones pulmonares, eliminando la necesidad de esperar horas para obtener resultados de laboratorio o someterse a radiografías.
El test consiste en un sensor portátil a escala de chip que atrapa y detecta compuestos sintéticos, conocidos como “biomarcadores”, que están inicialmente unidos a nanopartículas inhalables. Estos biomarcadores actúan como pequeñas etiquetas que solo pueden ser liberadas por una enzima específica relacionada con la enfermedad.
El procedimiento es sencillo: el paciente inhala las nanopartículas, similar a cómo se administran ciertos medicamentos para el asma. Si la persona está sana, las nanopartículas serán expulsadas intactas del cuerpo. Sin embargo, si existe una infección como la neumonía, las enzimas producidas por esta condición cortarán los biomarcadores de las nanopartículas. Los biomarcadores liberados serán exhalados y medidos, confirmando así la presencia de la enfermedad.
Nueva tecnología para diagnósticos rápidos
Hasta ahora, detectar estos biomarcadores exhalados requería instrumentos de laboratorio que no están disponibles en la mayoría de los consultorios médicos. El equipo del MIT ha demostrado que puede identificar biomarcadores de neumonía en concentraciones extremadamente bajas utilizando su nuevo test portátil, denominado PlasmoSniff.
Los investigadores tienen planes para integrar este sensor en un dispositivo manual que podría utilizarse tanto en clínicas como en el hogar, permitiendo diagnósticos rápidos de neumonía y otras enfermedades.
“Imaginamos que un paciente inhalaría nanopartículas y, en aproximadamente 10 minutos, exhalaría un biomarcador sintético que indicaría el estado pulmonar”, explica Aditya Garg, investigador postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. “Nuestra nueva tecnología PlasmoSniff permitiría detectar estos biomarcadores exhalados en minutos, justo en el lugar donde se necesita.”
Colaboración interdisciplinaria para avanzar en diagnósticos
Loza Tadesse, profesora asistente de ingeniería mecánica en el MIT, lidera el proyecto PlasmoSniff. Su grupo se especializa en crear dispositivos diagnósticos para ser utilizados directamente en consultorios médicos y otros entornos clínicos. La investigación se centra en espectroscopía, utilizando luz para identificar huellas químicas clave.
Años atrás, Tadesse colaboró con Sangeeta Bhatia, profesora de Ciencias de la Salud y Tecnología y también de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT. Bhatia ha trabajado en el desarrollo de sensores basados en nanopartículas que pueden ser etiquetadas con biomarcadores sintéticos específicos para ciertas enfermedades.
En investigaciones previas, se demostró que podían detectar biomarcadores cortados por neumonía a partir del aliento de ratones infectados. Aunque los biomarcadores eran exhalados a concentraciones muy bajas —alrededor de 10 partes por mil millones— los investigadores lograron identificarlos utilizando espectrometría de masas, una técnica altamente sensible pero costosa y poco accesible para clínicas comunes.
Innovación mediante plasmones
Tadesse y su equipo se propusieron diseñar un test respiratorio sensible y portátil capaz de detectar rápidamente los biomarcadores desarrollados por Bhatia. Su diseño se basa en principios de plasmonica, que estudia cómo interactúa la luz con la materia a nivel nanométrico.
Los investigadores observaron que las moléculas presentan modos vibracionales característicos relacionados con los movimientos atómicos dentro de sus enlaces químicos. Estas vibraciones pueden ser detectadas mediante espectroscopia Raman, una técnica óptica donde las moléculas son iluminadas con luz; una pequeña fracción del haz dispersado cambia su energía debido a estas interacciones vibracionales.
No obstante, para detectar los biomarcadores deseados era necesario aislarlos entre una densa nube de otras moléculas exhaladas y potenciar su señal vibracional. “Este es un problema complicado”, señala Tadesse. “Nuestro método permite detectar esa aguja escondida entre pajas.”
Estrategias avanzadas para mejorar la sensibilidad
El sensor diseñado por el equipo tiene como objetivo atrapar los biomarcadores objetivos y amplificar su señal vibracional. Su núcleo está compuesto por una fina película dorada sobre la cual se suspenden nanopartículas doradas recubiertas con una capa porosa de sílice. Esta estructura crea un espacio diminuto entre las partículas doradas donde los biomarcadores pueden adherirse fuertemente gracias a enlaces con moléculas de agua.
Dicha separación está optimizada para amplificar la luz debido a resonancias plasmónicas; esto significa que electrones dentro de las estructuras doradas oscilan colectivamente ante la luz entrante, concentrando el campo electromagnético dentro del espacio creado. Los biomarcadores atrapados experimentan un campo electromagnético intensificado que potencia su señal durante la dispersión Raman.
A través de diversas pruebas realizadas con fluidos pulmonares obtenidos de ratones sanos, el equipo demostró que su sensor podía detectar rápidamente biomarcadores asociados a neumonía incluso en concentraciones muy bajas relevantes clínicamente.
Perspectivas futuras: más allá del diagnóstico convencional
"Nuestro próximo objetivo es desarrollar un sistema para recolectar muestras respiratorias", comenta Garg. "Un paciente podría usar algo similar a un inhalador para inhalar las nanopartículas y luego respirar a través del sensor durante cinco minutos." Esto permitiría integrar un espectrómetro Raman portátil para detectar cualquier biomarcador exhalado casi al instante.
Las pruebas respiratorias son una tecnología emergente; muchos diseños aún están en fase experimental e intentan abordar diferentes condiciones médicas como ciertos tipos de cáncer o infecciones virales como el Covid-19. El equipo del MIT destaca que su diseño puede extenderse más allá de la neumonía e incluir otros biomarcadores siempre que tengan una firma vibracional conocida.
Tadesse concluye: “No estamos limitados solo a estos biomarcadores o aplicaciones diagnósticas; también podemos detectar productos químicos industriales o contaminantes atmosféricos”. Si una molécula puede formar enlaces hidrógeno con agua, podemos utilizar su firma vibracional para identificarla. Es una plataforma bastante universal.”
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